金属材料硬度试验
实验一 金属材料的硬度实验
一、实验目的
1.了解布氏、洛氏硬度测定的基本原理及应用范围。
2.了解布氏、洛氏硬度试验机的主要结构及硬度数据的测试方法。 二、实验原理
金属的硬度可以认为是金属材料局部表面在接触压力的任用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度值是材料性能的一个重要指标。试验方法简单、迅速，不需要专门的试样，同时保持试样的完整性，设备也比较简单。而且对大多数金属材料，可以硬度值估算出它的抗拉强度。因此在设计图纸的技术条件中大多规定材料的硬度值。检验材料或工艺是否合格有时也需用硬度。所以硬度试验在生产中广泛使用。
硬度测试方法很多，使用最广泛的是压入法。压入法就是一个很硬的压头以一定的压力压入试样的表面，使金属产生压痕，然后根据压痕的大小来确定硬度值。压痕越大，则材料越软；反之，则材料越硬。根据压头类型和几何尺寸等条件的不同，常用的硬度测试方法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。 三、布氏硬度（HB ）
布氏硬度用符号HB 表示。这种试验方法是把规定直径（10mm 、5mm 、2.5mm ）的硬质合金球以一定的试验力压入所测材料的表面（如图1-1所示），保持规定时间后，测量表面压痕直径（如图1-2所示），然后按下式计算硬度：
)
(222d D D D P
F P HBW --=
=
π
式中 HBW-表示用硬质合金球测试时的布氏硬度值； P-载荷（kgf ）；（1kgf ＝9.8N ） D-压头钢球直径（mm ）； d-压痕平均直径（mm ）；
F-压痕面积（mm2）；
式中只有d 是变数，故只需要测出压痕直径d ，根据已知D 和P 值就可以计算出HB 值。布氏硬度习惯上不标出单位。生产中已专门制定了平面布氏硬度值计算表见附录一，用读数显微镜测出压痕直径后，直接查表就可获得HB 硬度值。
图1-1 布氏硬度测量示意图 图1-2 用读数显微镜测量压痕直径
由于金属材料有软有硬，工件有厚有薄，有大有小，如果只采用同一种载荷和钢球直径时，就会出现对硬的材料合适，而对软的材料可能发生钢球陷入金属内部的现象；若对厚的材料合适，而对薄的材料又可能会出现压透的现象。因此为了得到统一的，可以相互比较的值，必须使P 和D 之间维持某一比值关系。这样对同一种材料而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满
足2
D P ＝常数，所得的HB 值是同样的；则对不同的材料来说，所得的HB 值也是可以进行比较的。按照GB231－63规定，2
D P 比值有30、10和2.5三种。
具体试验数据的选择和使用范围可参考表1-1
由于硬度和强度都以不同形式反映了材料在外力作用下抵抗塑性变形的能力，因而硬度和强度之间有一定的关系，其经验换算公式为：
低碳钢
6.3/
b HBσ
≈
高碳钢
4.3/
b HBσ
≈
调质合金钢
25
.3/
b
HBσ
≈
铝铸件
26
.0/
b
HBσ
≈
退火青铜和黄铜
55
.0/
b
HBσ
≈
锌合金
09
.0/
b
HBσ
≈
表1-1 布氏硬度试验规范
硬度和强度对照表可查本书附录一。
由于布氏硬度计算出的抗拉强度只是近似值，必然与实际抗拉强度有差
别。
布氏硬度测试法的优点是：压痕面积较大，因而受试样中成份偏析和组织偏析的影响较小，能够较精确地反映试样的硬度。其缺点是：需要经常更换压头与载何，测量较麻烦，不适宜测定成品件和较薄的材料。
布氏硬度试验机的结构和操作：
布氏硬度试验机的外形结构如图1-3所示，其操作方法如下：
图1-3 HB-3000布氏硬度试验机外形结构图
1. 按表（1-1）选用适当的压头，负荷及保荷时间。拧松压紧镙钉，把时间定位器（红色指示点）转到与持续时间相符的位置上。
2. 将试样放在工作台上，顺时针转动手轮使压头和试样缓慢接触，直到手轮与镙母产生相对打滑为止。
3. 打开电源开关，绿灯亮。
4. 按动加载按钮，启动电动机，载荷砝码经一系列的杠杆系统传递到压头，即开始加载荷。此时因压紧镙钉已拧松，园盘并不转动，当红色指示灯亮时，迅速拧紧压紧镙钉。达到所要求的持续时间后，即自动卸荷。从启动按钮形状到红灯亮为加荷阶段；红灯亮到红灯灭为保荷阶段；红灯灭到电动机停止转动为卸荷阶段。
5. 逆时针转动手轮降下工作台，取下试样用读数显微镜测出压痕直径d 值，以此值查表附录（一）即得HB值。
布氏硬度值测定注意事项：
⑴ 试样表面必须光洁平整，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕d 。 ⑵ 操作时动作要稳、缓、轻。
⑶ 压痕距试样边缘应大于D ，两压痕间距也应大于D 。
⑷ 当选用不同的2
D P 时，布氏硬度值之间不能进行直接对比。
⑸ 用读数显微镜测量压痕直径d 时，应从互相垂直的两个方向上进行，取其平均值。
四、洛氏硬度（HR ）
洛氏硬度实验法是采用金钢石园锥体或淬火钢球压入金属表面，如图1-4a 所示。对硬材料如淬火后的钢件，用金钢石压头；对较软的金属则用淬火钢球。通常有60、100和150kgf 三种载荷，而且为了减少因零件表面不光滑而造成的误差，需首先加10kgf 的初始载荷。洛氏硬度的测试原理如图1－4b.所示。
根据所用压头种类和所加载荷的不同，洛氏硬度分为HRA 、HRB 、HRC 等，表1-2所列为洛氏硬度试验规范。
图1-4 洛氏硬度测试法原理图
1—加初始试验力10kg 2—加主试验力后 3—卸除主试验力后
如果直接用压痕深度的大小来作计量硬度值的指标，势必造成越硬的材料
洛氏硬度值越小，而越软的材料的洛氏硬度值越大，不符合人们的习惯。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致，将测试结果作以下处理：
002.0h K HR -
=
式中：HR 为洛氏硬度代号；K 为常数，当采用金钢石压头时K ＝100，用
φ1.588mm 淬火钢球压头时K ＝130；规定每0.002mm 压痕深度为1洛氏硬度
单位。
表1-2 常用三种洛氏硬度试验规范
洛氏硬度的数值可直接从硬度计上读出，不需换算和查表，非常方便。读出来的数值，没有单位，习惯上常称“度”。洛氏硬度的不同硬度标尺之间，洛氏硬度与布氏硬度之间，以及与其它硬度之间，没有理论上的相应关系，不能直接比较。要比较时需查硬度值对照表附录（二），即压痕直径与布氏硬度值及相应洛氏硬度值对照表。
洛氏硬度测试方法简单迅速，可测量最软至最硬的材料。由于压痕小，故可测量成品及较薄另件的硬度。但也由于压痕小，对组织和硬度不均匀的材料，测试结果不准确。通常应从试件不同的位置测三点，再取其平均值。
实验选用TH30与HR －150型洛氏硬度计。 1. TH300洛氏硬度计的结构和操作
图1-5 TH300洛氏硬度计
其结构示意图见（图1-6），操作键盘如（图1-7）所示。
1－上盖2－压头座3－压头4－样品台5－丝杠护套6－手轮7－丝杠8－底脚螺钉9－侧门10－开关、电源板
11－显示屏12－键盘13－试验力转换手柄
图1－6 TH300洛氏硬度计结构示意图
LANG —菜单语言选择
+/- —上下限设置
Σ—数据统计
HR —标尺转换
φ—曲面修正
MENU —主菜单
▲.▼—滚动方向
ENTER —确认
图1-7 TH300洛氏硬度计操作键盘图
TH300洛氏硬度计操作方法如下：
⑴加载初试验力
将被测试样旋转在样品台中央，顺时针平稳转动手轮，使样品台上升，试样与压头接触。此时屏幕上出现压头运动过程示意图，见（图1－8），最后一个表示加载初试验力终止位置。平缓转动手轮，直到图中所示压头到达终止位置，屏幕上出现“正在测量”，同时伴有蜂鸣报警，此时应立即停止转动手轮。
如果手轮转动有少量过量，不影响测量结果及精度；如果转动过量较大，试验机自动报警，并提示，见（图1－9），此时应重新开始。
图1-8 试验机自动报警图1-9 手轮转动过量提示
⑵自动测试
初试验力加载完成后，测试自动进行。完成主试验力加载-保持-卸载-读数-数据处理-结果显示过程，测试结果见（图1－10）。
图1-10 测试结果显示
⑶卸载
逆时针转动手轮，样品台下降，全部试验力卸除；所有试验参数自动记忆，等待下次测试。
2. HR－150洛氏硬度计的结构和操作
52.6HRC